智能微電網(wǎng)在河西地區(qū)的示范運營*

陳維鉛，李玉宏，薛仰全，林 莉，許世鵬，劉 明

（1.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程實驗室，酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉735000）

智能微電網(wǎng)在河西地區(qū)的示范運營*

陳維鉛1,2，李玉宏1,2，薛仰全1，林 莉1,2，許世鵬1,2，劉 明1

（1.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程實驗室，酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉735000）

介紹了智能微電網(wǎng)示范工程項目的光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)切換模式及運行情況。通過試運行觀察和檢測，表明本智能微電網(wǎng)即可并網(wǎng)運行，又可離網(wǎng)運行，體現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)之間協(xié)調(diào)運行，凸顯智能微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度控制功能。本項目的示范運營，為智能微電網(wǎng)的發(fā)展提供工程依據(jù)和技術(shù)參考，促進智能微電網(wǎng)在河西地區(qū)的發(fā)展和廣泛應用。

智能微電網(wǎng);并/離網(wǎng)切換;儲能;磷酸鐵鋰電池;光伏發(fā)電;智能配電

1 概述

隨著分布式發(fā)電和可再生能源的開發(fā)利用，風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式發(fā)電并入電網(wǎng)的電能波動性、安全性、穩(wěn)定性等問題日益突出，為解決這些問題，微電網(wǎng)作為一種有效的解決途徑應運而生[1-3]。微電網(wǎng)是由風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃氣發(fā)電等分布式發(fā)電，負荷、儲能裝置和控制系統(tǒng)等組成的獨立發(fā)電系統(tǒng)[4]。其特點是帶有儲能裝置，可提高微電網(wǎng)運行的靈活性和可靠性，消除分布式發(fā)電的波動性，改善電能質(zhì)量，提高微電網(wǎng)供電可靠性，提升新能源發(fā)電的并網(wǎng)能力[5]。

微電網(wǎng)是提高新能源發(fā)電供電可靠性的有效途徑，在我國南方地區(qū)配電網(wǎng)中得到了廣泛的應用[6]。我國西部地區(qū)風力資源和太陽能資源豐富，新能源發(fā)電發(fā)展迅速，但是微電網(wǎng)的發(fā)展還處于示范研發(fā)階段[7]。本文以酒泉職業(yè)技術(shù)學院圖書館智能微電網(wǎng)示范工程項目為例，介紹了智能微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)、并/離網(wǎng)的切換控制和運行情況，為智能微電網(wǎng)的發(fā)展提供工程依據(jù)和技術(shù)參考，促進智能微電網(wǎng)在我國西部地區(qū)的發(fā)展和廣泛應用，解決新能源發(fā)電并網(wǎng)可靠性問題。

2 智能微電網(wǎng)的總體布局

酒泉職業(yè)技術(shù)學院智能微電網(wǎng)建設(shè)在光伏建筑一體化圖書館，其目的是改善光伏發(fā)電的電能質(zhì)量、提高供電穩(wěn)定性和光伏發(fā)電效率，為圖書館的重要負荷提供安全穩(wěn)定的電能。智能微電網(wǎng)主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和集中監(jiān)控系統(tǒng)等組成，圖1為酒泉職業(yè)技術(shù)學院智能微電網(wǎng)的總體布局。

圖1 智能微電網(wǎng)總體布局圖

2.1 發(fā)電系統(tǒng)

智能微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由47kWp多晶硅太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)和33.6kWp非晶薄膜電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成，多晶硅太陽能電池主要在強光下發(fā)電，非晶薄膜電池在弱光條件下就可以發(fā)電，二者結(jié)合保證最長時間發(fā)電。單個多晶硅太陽能電池組件功率為235Wp，工作電壓約為29.8V，開路電壓約為36.9 V，最大工作電流為7.9A，短路電流為8.4A。根據(jù)50KW并網(wǎng)光伏逆變器的工作電壓范圍 （420V以上），每20塊多晶硅電池組件串聯(lián)組成一串，然后每10個電池串聯(lián)組并列，共200塊電池組件，總的

發(fā)電功率為47kWp。非晶薄膜發(fā)電系統(tǒng)共由336塊100Wp薄膜電池組成，最大發(fā)電功率為 33.6 kWp。

發(fā)電系統(tǒng)配備2臺分別為50kW和30kW的光伏逆變器，50kW的逆變器經(jīng)匯流箱與多晶硅電池組件連接，30kW的逆變器經(jīng)匯流箱與非晶薄膜電池組件連接，將光伏發(fā)電組件的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻三相斬波電壓，并通過濾波器變成正弦波電壓，然后輸入微電網(wǎng)智能配電系統(tǒng)。

2.2 配電系統(tǒng)

智能微電網(wǎng)配電系統(tǒng)由圖書館負荷、智能配電柜、線路等組成。根據(jù)光伏日發(fā)電量和儲能系統(tǒng)中PCS的輸出功率，將圖書館部分負荷接入智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)接入智能微電網(wǎng)負荷的重要性，將接入微電網(wǎng)負荷又分為重要負荷和非重要負荷。重要負荷為三四樓南側(cè)照明和一樓網(wǎng)絡(luò)機房，非重要負荷為三四樓照明北側(cè)照明和一樓電子閱覽室。智能配電柜由斷路器、并網(wǎng)接觸器、雙向電表、電流互感器、電壓互感器等組成，實現(xiàn)智能微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)切換運行。

2.3 儲能系統(tǒng)

智能微電網(wǎng)設(shè)計儲能系統(tǒng)的目的是平滑光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出波動，實現(xiàn)微電網(wǎng)離網(wǎng)獨立運行，提高微電網(wǎng)供電可靠性。儲能系統(tǒng)將光伏發(fā)電的輸出波動抑制在10%以下，功率最優(yōu)配比在15 %～20%之間，離網(wǎng)時，在光伏發(fā)電系統(tǒng)不發(fā)電情況下，至少保證微網(wǎng)內(nèi)重要負荷6h的供電[8]。

智能微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)由ES-100K儲能變流器、336塊180Ah的磷酸鐵鋰電池、電池管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等組成。儲能變流器是智能微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的核心設(shè)備，是實現(xiàn)微電網(wǎng)電量和電池之間能量轉(zhuǎn)換的裝置。儲能變流器由北京索英公司提供，可以在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式運行，在并網(wǎng)模式下，根據(jù)本地電網(wǎng)信息自動調(diào)節(jié)有功/無功，來實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池進行充電和放電控制；在離網(wǎng)模式下，通過VF控制輸出電壓的幅值和頻率，為負荷提供穩(wěn)定的電壓支撐。磷酸鐵鋰電池由天津中聚公司提供，單體電池容量為180Ah，電壓為3.2V，終止充電電壓為3.6V，終止放電電壓為2.0V，工作溫度范圍為0～45℃。每2塊電池并聯(lián)組成1串，然后將每串電池串聯(lián)起來形成儲能裝置，總電壓為537.6V，共存儲電量為193Kwh。電池管理系統(tǒng)（BMS）由深圳山特公司提供，主要有以下三方面作用：（1）實時監(jiān)控儲能裝置的存儲電量、電壓、電流，單體電池的最高溫度、最低溫度、最大電壓、最小電壓，單體之間的最高溫差和最大電壓差等；（2）設(shè)置儲能裝置的最高充電量和最大放電量，為最大限度的保護電池的壽命，設(shè)置最高充電量為電池容量的85%，最大放電量為電池容量的45%；（3）根據(jù)電池容量、環(huán)境溫度等，控制儲能裝置的充放電模式和運行狀態(tài)。

2.4 智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖2為酒泉職業(yè)技術(shù)學院圖書館職能微電網(wǎng)框架圖。

圖2 智能微電網(wǎng)框架圖

微電網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)由北京索英公司提供，硬件部分包括主機、19寸顯示器、模塊電源、以太網(wǎng)交換機、通訊模塊、標準網(wǎng)絡(luò)柜等，軟件部分為微電網(wǎng)智能集中監(jiān)控系統(tǒng)。智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的檢測。具體檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的日發(fā)電量、總發(fā)電量、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、逆變器功率和溫度等數(shù)據(jù)；檢測配電系統(tǒng)的電壓、電流、負荷功率等數(shù)據(jù)；檢測儲能系統(tǒng)的雙向變流器、電池管理系統(tǒng)、儲能裝置等設(shè)備的基本數(shù)據(jù)。通過微電網(wǎng)智能集中監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對微電網(wǎng)并/離網(wǎng)的運行控制，系統(tǒng)控制模式的調(diào)節(jié)，儲能裝置基本參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等功能。

3 智能微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)切換控制

智能微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)切換主要為“有縫”切換和“無縫”切換。有縫切換是指微電網(wǎng)在并/離網(wǎng)切換過程中，由于公共連接點（PCC）斷路器作用時間較長，出現(xiàn)電源短時間消失的過程。相對于有縫切換，無縫切換是指微電網(wǎng)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)或離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行過程中，不出現(xiàn)電源消失的過程。無縫切換方式，可以提高微電網(wǎng)的供電可靠性，適合于電能質(zhì)

量要求較高的負荷。

本工程項目根據(jù)實際需要，采用有縫切換方式，圖3為微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)“有縫”切換流程圖。并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運行過程中，微電網(wǎng)控制中心（MGCC）接受到上層能量管理系統(tǒng)發(fā)出計劃離網(wǎng)運行指令或檢測到并網(wǎng)母線頻率、電壓超出正常運行范圍，或在外電網(wǎng)（國家電網(wǎng)）停電或故障時，MGCC發(fā)出指令，快速斷開PCC斷路器，并切除微網(wǎng)內(nèi)多余負荷，或根據(jù)實際情況切除分布式發(fā)電，同時啟動主控電源（儲能）控制模式。并由功率調(diào)度（P/Q）模式切換為恒壓（U/?）模式，以恒頻恒壓輸出電能，保證微電網(wǎng)頻率和電源的穩(wěn)定。在切換過程中，微電網(wǎng)的孤島保護動作，使分布式發(fā)電系統(tǒng)退出運行[9]。主控電源啟動離網(wǎng)運行恢復重要負荷供電后，分布式發(fā)電系統(tǒng)將自動并入微電網(wǎng)系統(tǒng)運行。為了防止發(fā)電系統(tǒng)同時啟動給微電網(wǎng)帶來巨大的沖擊，各分布式發(fā)電錯開啟動，并由微電網(wǎng)控制中心控制發(fā)電系統(tǒng)逐步啟動，在逐步啟動過程中，逐步投入被切除的微電網(wǎng)負荷，直到被切除負荷、儲能和分布式發(fā)電無法調(diào)節(jié)，發(fā)電、儲能和負荷用電在離網(wǎng)運行期間達到新的平衡。當微電網(wǎng)控制中心檢測到外部電網(wǎng)頻率和電壓正常時，自動調(diào)節(jié)為并網(wǎng)運行模式，并恢復被切除的微電網(wǎng)內(nèi)負荷。

圖3 微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)“有縫”切換流程圖

4 智能微電網(wǎng)的運行分析

并網(wǎng)型智能微電網(wǎng)根據(jù)實際需要，可以在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式運行，并網(wǎng)運行時有外部電網(wǎng)提供微網(wǎng)內(nèi)負荷功率缺額，或者吸收微網(wǎng)內(nèi)發(fā)出多余的電能。離網(wǎng)運行時，由光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)給微網(wǎng)內(nèi)負荷提供電能，達到新的能量平衡。

4.1 并網(wǎng)運行

如圖2智能微電網(wǎng)框架圖，圖書館部分負荷接入微電網(wǎng)，接入部分為微網(wǎng)負荷，未接入部分為剩余負荷，將微網(wǎng)負荷根據(jù)實際需要又分為重要負荷和非重要負荷。

智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)母線通過公共連接點（微網(wǎng)開關(guān)）與電網(wǎng)連接，實現(xiàn)對整個圖書館負荷供電。白天光伏發(fā)電充足時，首先為微網(wǎng)負荷供電，其次為圖書管剩余負荷供電，多余的電能將通過儲能裝置儲存起來。儲能裝置達到充電上限時，停止充電，再將多余的電能通過變壓器送入電網(wǎng)。當光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率小于圖書館用電負荷時，缺額部分由電網(wǎng)提供。夜間光伏發(fā)電系統(tǒng)停止運行時，主要由儲能系統(tǒng)為圖書館負荷供電，包括微網(wǎng)負荷和剩余負荷。儲能裝置達到放電下限時，停止供電，由電網(wǎng)為圖書館負荷供電，直到第二天光伏發(fā)電系統(tǒng)恢復供電。智能微電網(wǎng)儲能裝置除了夜間供電外，通過自動調(diào)整充放電工作模式，控制輸出功率平滑光伏發(fā)電輸出功率波動，抑制光伏電壓波動和閃變，補償負荷電流諧波，提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性[10]。

圖4為并網(wǎng)運行時，智能微電網(wǎng)公共連接點（PCC）處多功能電表數(shù)據(jù)。由圖4可知，電壓波形失真度小于2%，符合國家標準（小于3%）。電流波形失真度較大，是由于電流基波較小，造成測量誤差，所以電流波形失真度較大，但不影響上網(wǎng)電能質(zhì)量。根據(jù)圖4數(shù)據(jù)和試運行觀察，該微電網(wǎng)試運行穩(wěn)定，上網(wǎng)電能質(zhì)量良好，達到設(shè)計要求，為智能微電網(wǎng)的廣泛應用起到示范推廣的作用。

圖4 微電網(wǎng)PCC處基本數(shù)據(jù)

4.2 離網(wǎng)運行

智能微電網(wǎng)離網(wǎng)運行，在電網(wǎng)停電或故障時，智能微電網(wǎng)控制中心發(fā)出指令，快速斷開PCC斷路器（微網(wǎng)開關(guān)），切除剩余負荷，由光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)為微網(wǎng)負荷供電。當發(fā)電充足時，在滿足微網(wǎng)負荷用電需求的前提下，多余的電能通過儲能裝置儲存起來。儲能裝置達到充電上限時，停止充電，電能仍然多余時，智能微電網(wǎng)控制中心將發(fā)出指令切除多晶硅發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作或者不能滿足微網(wǎng)負荷用電需求時，啟動儲能系統(tǒng)為微網(wǎng)負荷供電，儲能系統(tǒng)供電1h后，為保證微網(wǎng)重要負荷供電需求，將切除微網(wǎng)非重要負荷。

5 結(jié)論

本智能微電網(wǎng)示范工程項目，包含不同光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)平穩(wěn)友好的并入國家電網(wǎng)。微電網(wǎng)電能質(zhì)量良好，符合國家要求。即可并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)微電網(wǎng)雙向潮流環(huán)境下控制保護，體現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)運行；又可離網(wǎng)運行，在外部電網(wǎng)故障情況下，微電網(wǎng)繼續(xù)為微網(wǎng)負荷供電，保證用電需求，凸顯智能微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度控制功能。儲能系統(tǒng)在智能微電網(wǎng)中的應用，根據(jù)微電網(wǎng)負荷用電需求，通過自動調(diào)節(jié)充放電工作模式和輸出功率大小，平緩光伏發(fā)電功率波動，抑制光伏電壓波動和閃變，補償負荷電流諧波，提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性。

[1] 蘇玲,張建華,王利，等.微電網(wǎng)相關(guān)問題及技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(19)：235-239.

[2] 袁越,李振杰,馮宇，等.中國發(fā)展微電網(wǎng)的目的方向前景[J]. 電氣系統(tǒng)自動化,2010,34(1)：59-63.

[3] 劉暢,袁榮湘,劉斌，等.微電網(wǎng)運行與發(fā)展[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(5)：43-47.

[4] 楊繼紅.智能電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃與評估研究[J].甘肅科技, 2011,27(20)：76-77.

[5] 李世偉.甘南小水電上網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響[J].甘肅科技, 2012,28(8)：84-86.

[6] 高超,楊其國,李永星，等.微電網(wǎng)關(guān)鍵控制技術(shù)綜述[J].自動化技術(shù)與應用,2015,34(3)：1-5.

[7] 王成山,焦冰琦,郭力.微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方法綜述[J].電力建設(shè),2015,36(1)：38-45.

[8] 楊新法,蘇劍,呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國電機技術(shù)學報,2014,34(1)：57-70.

[9] 李瑞生.微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實踐及實驗[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(2)：73-78.

[10]張洋,李強,李朝暉，等.光伏-儲能聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)工程方案設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(23)：212-214.

TM715

甘肅省科技計劃資助項目（1309RTSF043）； 甘肅省科技創(chuàng)新平臺專項資助（144JTCF256）。